题图:[法]克劳德·莫奈 《日本桥》,绘于1923年
)你有没有做过“唉,我真是没有艺术细胞!”
的感叹?站在美术馆的长廊上,茫然的望着眼前色彩斑斓的名家画作,横竖研究半天也搞不清楚到底画的啥。其实,你面对画布会不会心旷神怡是一回事,你对自己体内细胞艺术天赋的否定可是大大冤枉了它们。

还记得果壳文艺科学之前那篇《一千个人心中有一千个创世纪》吗?遗传艺术家Eduardo
Kac在作品Genesis中使用了荧光蛋白,通过紫外线灯的照射就可以看到发光的细菌。

在生物学家的实验室里,也一样能找到奇异的美感。2016年,美国实验生物学会联合会(FASEB)又评选出了年度“生物艺术”作品。这一次,共有3段短视频(本文中以动图呈现)和10幅照片入选。培养皿上、显微镜下,变换的色彩与图案讲述着怎样的故事?

培养神经细胞,给细胞染色、标记,对细胞生物学家来说再普通不过,但有些时候,这些显微镜拍下的照片却极其令人赞叹。你会发现,这些来自人类头脑中的细胞不仅具有奇妙的艺术性,而且还能展现出不同画派的特点。

话说荧光蛋白的故事开始于海洋中的水母 Aequorea victoria
,这种水母不淡定或不安的时候,外侧边缘会发出绿光,而这个特性为很多生物学家带来了很好的观测工具。2008年,诺贝尔化学奖授给了Osamu
Shimomura,Martin Chalfie
和钱永健三位为绿色荧光蛋白GFP的发现和发展做出贡献的科学家。Osamu
Shimomura来自伍兹霍尔海洋生物学实验室,他是首位从水母中分离出GFP的科学家,发现该蛋白在紫外线下会发出明亮的绿光。Martin
Chalfie来自哥伦比亚大学,证明了GFP在作为多种生物学现象发光遗传标记方面的应用价值。钱永健来自加州大学圣地亚哥分校,阐释了GFP的发光机制,并发现了除绿色之外可用于标记的其它颜色。三位科学家的研究成果已经作为标记工具在生物科学中得到广泛的应用。

幻象

细菌Min蛋白系统的震荡图案

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这些迷幻的动态图案来自两种特殊的蛋白质——MinE蛋白和MinD蛋白,它们分别被研究者加上了荧光标记,前者是红色,后者是蓝色。在模拟细胞膜的人工环境中,它们自发地产生了这些梦幻的震荡图案(左侧:
MinD;右侧:MinE;中间: 两者叠加)。

这些蛋白质是从细菌体内分离得到的,它们属于一个名叫Min
system的蛋白系统,其中包括了C、D、E三种成员。这套系统在细菌繁殖中会起到重要作用:它们能确保细菌体恰好在中点处一分为二。其中上面提到的MinE蛋白可以在细胞内“追逐”MinD蛋白,从一头到另一头,从而在细胞内形成“震荡”,这个过程可以帮助细菌定位正确的分裂位置。

拍摄者:Anthony Vecchiarelli and Kiyoshi Mizuuchi

最爱·印象派

19世纪末,法国画家莫奈引领了印象派的风潮。莫奈的画作因其绚丽奇幻的光影色彩而极受现代人的欢迎。神经细胞大概因为自己负责意识流工作的缘故,对印象派的表现手法极其偏爱。

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▲上图是一张人类胚胎干细胞、神经前体细胞培养后的免疫荧光标记照片。红色的神经元、绿色的神经胶质细胞和蓝色的细胞核交织在一起,绚丽的色彩和错综复杂的线条,是不是很有几分后印象派画作的视觉效果?(来源:Su-Chun
Zhang | The lab of University of Wisconsin-Madison)

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▲绿色尾羽柔曼的延展,点缀的蓝色斑点流光溢彩。又是另外一幅神经干细胞生长分化后的荧光图。参照莫奈的《日出·印象》,这幅图倒是可以起个名字可以叫《孔雀开屏·印象》。(来源:Corey
Seehus | Stanford University)

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▲新印象主义的点彩画派,顾名思义,这一派的风尚是作画时不用线条而用点来表现色彩。这么说来,神经干细胞可谓是点彩创作法的杰出代表了。(来源:mclean
| Harvard University)

绿色荧光蛋白可以在蓝色波长范围的光照下发出绿色荧光,其发光原理如下:

剖析巨蟒

断层扫描下的蟒蛇

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蟒那强大的力量和冷酷的外表是它迷人之处所在。但你知道这力量和冷酷之下的细节吗?利用微计算机断层扫描(micro-computed
tomography, micro-CT)技术,科学家们对一条白眼蟒(Liasis
mackloti
)的头部进行了精细的扫描,展现出精巧的颌骨结构和发达的头部肌肉。相比于传统的核磁共振(NMR)技术,micro-CT技术能够以更高的分辨率得到物体内部的分层扫描图像。

拍摄者:Paul M. Gignac and Nathan J. Kley

细密·波斯毯

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这幅有着挂毯风格的图片是由大脑皮层神经元染色得来的——当然,是来自人类的灵长近亲猴子的。(来源:neurevolution.net)

波斯人最喜欢精致的东西,比如细密画,比如波斯毯。用神经元编制的毯子,细丝是如此的错综反复而高度有序,若是挂在客厅里,也不失为一幅淡雅神秘的佳作。

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灵光闪现

神经细胞“点亮”荧光标记

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这是节日中绽放的焰火,还是乌云中耀眼的闪电?都不是。这是你大脑中的思维之光在闪烁。思维的活动依赖于神经元的兴奋,而如何直观的观察神经元的兴奋状态一直是神经科学家所面临的挑战,钙成像技术解决了这一问题。科学家在细胞内放入一些结合钙离子后会释放荧光的物质分子,当神经细胞兴奋时,内流的钙离子就会点亮这些细胞,造成一个闪光,从而能被直接观察到。

拍摄者:Caitlin Vander Weele, Kay M. Tye

枯木·中国风

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中国人还是最喜欢写意山水画了。寥寥几笔,一幅枯藤老树屹立在冬日寒凛里的意境就出来了。仔细看一看,咦?这树枝弯的有些诡异呀。原来这是一幅脑前额叶中层神经元的染色图。(来源:brainmaps.org)

GFP的发光过程需要发光蛋白Aequorin的帮助。水母体内的Aequorin与钙离子结合会发出蓝光,蓝光会立刻被一种蛋白吸收,发出绿色荧光。这种蛋白由此被命名为Green
Fluorescent Protein。

点彩

酵母菌落构成的培养皿彩画

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一张带着修拉新印象派风格的点彩画作!在温暖的橘色光辉中,我们看到的是纽约城的剪影。不过,这张图可不是画在纸上,而是从培养皿上长出来的,每一个彩点都对应着一个酵母菌构成的菌落。

科学家们将酿酒酵母(Saccharomyces
cerevisiae
)通过微小的孔道,单个“打印”在培养基上,而每一个活的酵母,都将生长为一个菌落,构成画面的一个“像点”。这些酵母经过了遗传改造,带有来自细菌、真菌、海葵等其他生物的基因,从而能显示出不同的颜色。而这项技术,则为今后采用合成生物学手段生产有用的生物分子铺平了道路。

拍摄者:Michael Shen, Jasmine Temple, Leslie Mitchell, Nick
Phillips, James Chuang, Jiarui Wang, and Jef Boeke

哥特式朋克

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哇,这是一个怒发冲冠的骷髅头吗?不对,这是由人胚胎干细胞生长出来的一簇神经细胞的荧光照片。主体部分神经元组成的形状很像是大眼睛的头盖骨。绿色的神经纤维向四周发散,很有点后朋克的味道。(来源:Steve
Milanowski | news.wisc.edu)

“我是最酷的神经细胞,我向四处发送命令电流!”

艺术需要发散思维,不是吗?

而现在,随着GFP研究的不断加深和拓展,GFP和GFP类蛋白已经能够发出所有彩虹颜色的荧光。这抹来自水母的绿光将色彩引入到生物学中,为细胞世界的探索打开了一扇斑斓的大门。

剧变

共聚焦显微镜下的昆虫发育

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我们常用“羽化之蝶”形容蝴蝶从幼虫变为成虫那剧烈的变态过程。而对于鞘翅目的甲虫来说,它们同样经过这一脱胎换骨的过程。图中,科学家们就使用激光共聚焦显微镜记录下了这剧烈变化的时刻。

此时正是这枚斯里兰卡蜣螂(Onthophagus
sagittarius
)蛹发育的末期,视叶(决定昆虫视觉的组织)正在向头部表面发育,将来将发育为一对复眼。而红色、绿色和蓝色,则分别标记了组成这一组织的结构性蛋白、五羟色胺(一种神经递质)和遗传物质的分布。

拍摄者:Eduardo Zattara, Armin Moczek1, Jim Powers, Jonathan Cherry,
and Matthew Curtis

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聚集

铜绿假单胞菌膜

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这张有着精致纹理的“网”,其实是很多微生物聚集在一起形成的生物被膜(biofilm)结构。这种现象在自然界很常见,它通常对人体没有危险,有时还能对自然界起到积极的作用。不过,图中这块硬币大小的微生物生物被膜,则是由一种条件致病菌——铜绿假单胞菌(Pseudomonas
aeruginosa
,又称绿脓杆菌)形成的,它在某些情况下可以引起伤口的严重感染。细菌们分泌出一系列成分,构成了细胞外的被膜基质(在图中被染成红色),这些成分可以帮助细菌逃避免疫系统的攻击。

拍摄者:Scott Chimileski and Roberto Kolter

哈佛大学的研究人员给小鼠的脑部神经细胞染色,使得它们能发出像彩虹般的荧光色彩,如此便方便追踪。

“战争”过后

扫描电子显微镜下的膀胱感染

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尿路感染(urinary tract infection,
UTI)是一种常见疾病,反复发作的感染更是令人困扰。感染会对泌尿系统造成怎样的影响?科学家们利用小鼠模型和扫描电子显微镜来一探究竟。上图中被后期上色为蓝色的就是膀胱内壁,红色是病原微生物,黄色的是机体对抗感染的白细胞。

研究者发现,当经历一场长期持续的尿路感染之后,即使已被治愈,在第二次感染过程中白细胞对病原微生物的控制力也有所下降。这也许是二次感染易感性增加的原因。

拍摄者:Valerie O’Brien, Matthew Joens, Scott J. Hultgren, and James
A.J. Fitzpatrick

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多彩胚胎

共聚焦显微镜下的斑马鱼胚胎

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还记得惊愕的斑马鱼表情包吗?这次它被加上了更多色彩。在这张激光共聚焦显微镜图中,蓝色是细胞核存在的位置,而绿色则标记了特殊细胞内的结构蛋白。这种标记能帮助科学家们追踪特性细胞在斑马鱼胚胎头部的运动情况,而这项研究能够帮助科学家们更好的了解头部组织器官发育,以及人类先天缺陷如唇裂、腭裂等的成因。顺便再说一下,在图中看到的“小圆眼睛”其实是斑马鱼的鼻孔哦(真正的眼睛长在两侧)。

拍摄者:Oscar Ruiz and George Eisenhoffer

来自钱永健实验室的荧光细菌画

扫描电镜下的肌肉结缔组织

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蜂巢?纸板箱的截面?其实这是牛蛙腿部肌肉中的结构。只不过,构成肌肉主体的细胞已经被溶解去除,只剩下肌肉细胞间的结缔组织,它们构成了这些排列整齐的小“格子”。

这些结缔组织由细胞分泌的胶原蛋白等成分组成,它们不只是负责将众多细胞连在一起,并且还能在肌肉组织将收缩的力传递到肌腱和骨骼上。研究人员正在研究来自各种物种的结缔组织的结构,以了解它如何塑造肌肉功能,以及希望了解影响胶原结构的疾病如何影响肌肉健康。

拍摄者:David Sleboda and Thomas Roberts

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靶点

HIV病毒中的关键酶类

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如今,艾滋病是全球人类共同面临的公共卫生问题。要想打赢控制疾病的战争,首先要了解它的元凶——人类免疫缺陷病毒(HIV)。这些图片所展示的就是HIV病毒中起到最关键作用的三种酶,科学家们利用已获得的研究数据对它们进行了重构。这些结构也正是治疗药物所瞄准的“靶子”。

第一张图中,逆转录酶(橙色)将HIV的RNA基因组(蓝色)逆转录为DNA拷贝(黄色);第二张图中,整合酶(洋红色)将逆转录产生的DNA拷贝(黄色)插入免疫细胞的基因组(绿色)中,以此劫持细胞内的蛋白质表达。而在第三张图中,蛋白酶(青绿色)将翻译后产生的HIV结构蛋白(紫色)进行切割修饰,以产生HIV新的组成蛋白。

拍摄者:Maria Voigt and David S. Goodsell

荧光线形虫,美国犹他州立大学生物学家为研究线形虫特点,对其某种基因标注了绿色荧光蛋白质,从而确保线形虫的咽喉、肠道和生殖腺都处于绿色荧光发亮状态。

延伸

伸长的小鼠神经细胞

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时至今日,脊髓损伤的恢复依然是个难题,这是由于已经伸长的神经纤维在受损后难以被修复。一个可能的治疗途径是,诱导存在于脊髓内的神经干细胞重新生长出神经纤维,连接和修复脊髓的受损部位,这一过程的关键在于避免瘢痕组织产生——这会阻碍连接的修复。

在图中,科学家们展示了一种有望帮助神经修复的新技术——利用人工合成的纳米纤维凝胶来防止瘢痕组织,并保护神经纤维的伸长。图中,一个小鼠的神经细胞(蓝色/绿色)已经在纳米纤维凝胶(紫色)上充分的伸长,并整合入凝胶之中。研究者发现在脊髓损伤部位注射凝胶,可以有效减少瘢痕组织产生,并有助于恢复小鼠的后腿功能。

拍摄者:Mark McClendon, Zaida Alvarez Pinto, and Samuel I. Stupp

台大神经生物与认知科学研究中心“医学与神经科学影像大赛”部分作品

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网络。免疫荧光技术。胎鼠脑皮层神经细胞。

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火花。神经细胞标记黄色荧光蛋白。

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蝴蝶舞春风。小鼠横膈肌免疫组织染色。

茁壮生长

小鼠胚胎的骨骼发育

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骨骼,坚韧又强硬,它是运动的承力组织,也守护着动物体内重要的器官组织。强健的骨骼是怎么来的?在这张图中,荧光染色展示了小鼠骨骼发育的各个阶段。在最左边的胚胎时期,软骨(红色)最先发育,并随着生长逐渐骨化为硬骨(绿色),但在关节等处,依然有软骨存在。对骨骼发育的研究,有助于了解多种骨发育缺陷和畸形等遗传疾病。

拍摄者:William Munoz, Karla Terrazas, Paul Trainor

奥林巴斯杯中国首届显微图像大赛获奖作品

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斑马鱼脑部的神经元与血管。染色方法:双转基因斑马鱼中不同启动子驱动GFP/RFP。

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凤舞九天。果蝇卵巢,免疫荧光染色。

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肿瘤干细胞分化成的神经胶质细胞。转基因小鼠小脑切片,免疫荧光染色。

畅通支撑

激光共聚焦显微镜下的小鼠气管

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气管是机体汲取氧气的通道,它一定要时刻保持通畅才行,而为此提供保障的就是气管壁上一圈圈C字形的软骨。有了软骨的支撑,气管能够穿过狭窄的颈部而不会塌陷。

上图中显示的就是一段加入了不同颜色标记的小鼠气管,在激光共聚焦显微镜下,我们能够清晰地看到红色的软骨组织,以及绿色的神经。科学家们这是在研究影响气管软骨发育的因素,了解神经细胞在引导软骨组织生长中所发挥的潜在作用。

拍摄者:Randee Young and Xin Sun

(编辑:窗敲雨)

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生命奥妙GFP专题

参考资料:

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